封嚴(yán)涂層及其制備技術(shù)

1、封嚴(yán)涂層及其制備技術(shù)1、 定義封嚴(yán)涂層是涂覆在飛機(jī)（航空）發(fā)動機(jī)氣流通道的間隙部分的涂層。航空發(fā)動機(jī)在工作過程中，在離心力，氣動力及熱膨脹的共同作用下，轉(zhuǎn)子與靜子都會發(fā)生變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與靜子之間相互摩擦造成機(jī)械損傷，在設(shè)計(jì)、制造和修理過程中，轉(zhuǎn)子與靜子之間在構(gòu)造上必須保留適當(dāng)?shù)拈g隙；但是發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)子與靜子的間隙卻會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率的降低，如果采取適當(dāng)?shù)拇胧┯行У臏p小發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間的徑向間隙則可大大提高發(fā)動機(jī)的可靠性和效率。資料表明典型的發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片間隙若平均減少0.245mm，渦輪效率可提高約1%；如果壓氣機(jī)間隙增加0.076mm，單位油耗率增加約1%。圖3-1展示了徑向間隙

2、對部件效率及其耗油率的影響，隨著葉片和機(jī)匣之間間隙的增加，耗油率大幅增加。此外壓氣機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙過大，會嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)工作時的氣動性，并可能引起喘振，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性下降。因此，為提高發(fā)動機(jī)的效率，降低油耗，改善發(fā)動機(jī)氣動性能，應(yīng)盡量減小壓氣機(jī)葉尖與機(jī)匣之間的徑向間隙。圖3-1 徑向間隙對部件效率及耗油率的影響封嚴(yán)涂層是一種功能涂層，被廣泛的運(yùn)用于不同零部件之間，例如轉(zhuǎn)子軸，鼓筒、軸承、轉(zhuǎn)動葉片葉尖，壓氣機(jī)和渦輪等封嚴(yán)裝置表面，以控制間隙和減少泄漏，成為有效的封嚴(yán)技術(shù)之一。封嚴(yán)涂層使用位置示意圖如圖3-2所示。封嚴(yán)涂層應(yīng)具有較好的表面質(zhì)量、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和較小的摩擦系數(shù)，并且與基體材料之間的界面

3、結(jié)合性能要比較好。研制封嚴(yán)涂層需要綜合考慮涂層的各種性能，特別是涂層的磨損特性和耐沖擊性能。目前采用的封嚴(yán)涂層主要有以下幾類: 有機(jī)涂層、熱噴涂涂層，燒結(jié)金屬粉末；耐溫可1000的填充或不填充的薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)涂層；耐溫可達(dá)1200的可控孔隙率陶瓷涂層。封嚴(yán)涂層通常是成對出現(xiàn)的，即在壓氣機(jī)的靜子部件的表面噴涂可磨耗的密封涂層，與葉片等動子尖端的硬質(zhì)涂層形成一對可磨耗密封摩擦副。根據(jù)用途，可將封嚴(yán)涂層分為兩大類，即可磨耗封嚴(yán)涂層和耐磨封嚴(yán)涂層?？赡ズ姆鈬?yán)涂層是噴涂在與轉(zhuǎn)動組件相配合的靜子環(huán)帶上的允許磨耗的軟涂層。高速高溫條件下，配副發(fā)生刮擦?xí)r封嚴(yán)材料必須先被刮削，封嚴(yán)涂層對轉(zhuǎn)動部件沒有損傷或只產(chǎn)生可

4、容忍的損傷；封嚴(yán)涂層材料能準(zhǔn)確配合或適應(yīng)對摩副的形狀，形成最小的工作間隙。此外，可磨耗封嚴(yán)涂層還必須滿足以下條件：具有良好的減摩性能以降低能耗；磨痕表面光滑平整以減小空氣動力損失；因此，可磨耗封嚴(yán)涂層材料表層必須兼顧一定性能要求并取得一定平衡，目前采用復(fù)合涂層的設(shè)計(jì)和工藝來實(shí)現(xiàn)?？赡ズ姆鈬?yán)涂層的種類隨著發(fā)動機(jī)工作溫度的升高而不斷發(fā)展，在中低溫階段，涂層基體通常為金屬材料，如鎳、銅、鉻、鋁等及其合金；目前，運(yùn)用較為成熟的可磨耗封嚴(yán)涂層為鋁基合金和鎳基合金涂層體系，使用溫度在1000以下，表3-1為常用的可磨耗封嚴(yán)涂層及其制備方法、適用溫度和用途。耐磨封嚴(yán)涂層及噴涂在轉(zhuǎn)子組件或靜子配合部位，可促進(jìn)

5、配合部位的磨損，磨去對偶部分而保護(hù)自己，既保持了轉(zhuǎn)子的平衡，又控制了間隙。常用的耐磨封嚴(yán)涂層及其制備工藝見表3-2.耐磨封嚴(yán)涂層大多為耐高溫封嚴(yán)涂層。例如采用超音速火焰噴涂或者等離子噴涂工藝方法制備的Cr3C2-NiCr涂層可以在450980氧化或者空氣介質(zhì)中，作為封嚴(yán)涂層使用，是運(yùn)用最為廣泛的金屬/陶瓷復(fù)合材料。NiCrAlY是航空領(lǐng)域內(nèi)常用的抗氧化涂層，具有和金屬基體匹配性好的優(yōu)點(diǎn)，也可做耐磨封嚴(yán)涂層材料，它多用于各種零部件的修復(fù)、強(qiáng)化及底層。NiAl具有與NiCrAlY類似的性質(zhì)，可用作耐磨封嚴(yán)涂層材料，也可用作涂層的打底。制備方法：封嚴(yán)涂層種類很多，但是基于封嚴(yán)涂層性能的要求，制備方法

6、以熱噴涂為主，等離子噴涂和超音速噴涂是常見的兩種制備技術(shù)。熱噴涂技術(shù)是表面防護(hù)和強(qiáng)化的技術(shù)之一，是表面工程中一門重要的學(xué)科。熱噴涂是指利用某種熱源，如電弧、等離子弧，燃燒火焰等將粉末或絲狀的金屬或非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后借助焰流本身的動力或外加高速氣流霧化，并以一定的速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體材料表面，與基體材料結(jié)合而形成具有各種功能的表面覆蓋涂層的一種技術(shù)。熱噴涂法自二十世紀(jì)20年代初期研制并發(fā)展至今，不論在技術(shù)上還是在應(yīng)用上都有了很大突破。所有的熱噴涂加工方法可分為三個主要工藝階段：預(yù)處理階段、噴涂階段和噴涂后處理階段，其加工工藝流程如圖所示。熱噴涂特點(diǎn)如下：(1) 涂層

7、容易施工，且厚度可調(diào)。(2) 涂層易于大修，可以用機(jī)加或其他方法除盡，然后，在同樣的位置上噴涂。(3) 多種封嚴(yán)涂層材料可供選擇，可滿足不同溫度及不同發(fā)動機(jī)的需求；(4) 可提供良好的可磨耗性及氣流沖蝕性；(5) 涂層可改變噴涂工藝方法及工藝參數(shù)來調(diào)整；等離子噴涂等離子噴涂是熱噴涂中最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ?，其原理示意圖如下所示。等離子噴涂的原理是某種氣體如氮、氬、氫或氦等通過壓縮電弧時，會產(chǎn)生電離而形成中性的等離子體。等離子弧的能量集中，溫度很高(其焰流的溫度在10000以上)，可以將粉末材料霧化并噴涂在基體表面形成涂層。由于等離子溫度達(dá)到20000K，能熔化所有的固體。所以一般的陶瓷和金屬都

8、能通過等離子噴涂形成涂層?；鹧鎳娡炕鹧鎳娡渴菬釃娡糠椒ㄖ羞\(yùn)用焦躁的一種噴涂方法，它以氣體的燃燒為熱源，將咸菜或粉末加熱到熔融或塑性狀態(tài)，在高速氣流作用下將霧化的顆粒噴涂于工件表面，進(jìn)而形成涂層?；鹧鎳娡烤哂性O(shè)備簡單、操作靈活、投資少、見效快的特點(diǎn)，可用于制備各種金屬、陶瓷及塑料涂層，是目前國內(nèi)常用的噴涂方法之一。但是火焰噴涂制備的涂層具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，含較多的氧化物和顯微空洞，而且有變形不充分的顆粒，致使涂層本身致密度低，并且與基體結(jié)合強(qiáng)度差。超聲速火焰噴涂和爆咋噴涂普通火焰存在很多缺陷：涂層的層狀組織含有較多氣孔和氧化物；涂層與基體結(jié)合不夠致密；火焰溫度一般為3000，只能用于對低熔點(diǎn)金屬和陶瓷材料進(jìn)行涂層制備。因此，在普通火焰噴涂的基礎(chǔ)上，近年又發(fā)展出爆炸噴涂，超聲速火焰噴涂等新技術(shù)。爆炸噴涂技術(shù)是將燃?xì)夂椭細(xì)獍凑找欢ū壤M(jìn)行混合后，送入燃燒室內(nèi)，并由電火花點(diǎn)燃，然后利